放大电路基础课件.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第三章 放大电路基础,第三章 放大电路基础,3.1 放大电路的基本知识,3.2三种基本组态放大电路,3.3差分放大电路,3.4互补对称功率放大电路,3.5多级放大电路,1,基本放大电路一般是指由一个三极管与相应元件组成的三种基本组态放大电路。,1.放大电路主要用于放大微弱信号，输出电压或电流在幅度上得到了放大，输出信号的能量得到了加强。,2.输出信号的能量实际上是由直流电源提供的，只是经过三极管的控制，使之转换成信号能量，提供给负载。,3.1 放大电路的基本知识,2,3.1.1 放大电路的组成,放大电路的结构示意框图见图31。,图31 放大结构示意图,3,3.1.2 放大电路的主要性能指标,一、放大倍数,输出信号的电压和电流幅度得到了放大，所以输出功率也会有所放大。对放大电路而言有,电压放大倍数、电流放大倍数,和,功率放大倍数,通常它们都是按正弦量定义的。放大倍数定义式中各有关量如图32所示。,图32 放大倍数的定义,4,功率放大倍数,定义为,(3.03),电压放大倍数,定义为,(3.01),电流放大倍数,定义为,(3.02),5,二、输入电阻,R,i,输入电阻是表明放大电路从信号源吸取电流大小的参数，,R,i,大放大电路从信号源吸取的电流小，反之则大。,R,i,的定义见图33和式(3.04),(3.04),图 33 输入电阻的定义,6,三、输出电阻,R,o,输出电阻是表明放大电路带负载的能力，,R,o,大表明放大电路带负载的能力差，反之则强。,R,o,的定义见式(3.05)。,(3.05),7,四、通频带,(3.06),相应的频率,f,L,称为下限频率，,f,H,称为上限频率,。,图 34 通频带的定义,放大电路的增益,A,(,f,)是频率的函数。在低频段和高频段放大倍数都要下降。当,A,(,f,)下降到中频电压放大倍数,A,0,的 1/时,，即,8,3.2 三种基本组态放大电路,3.2.1 共发射极放大电路,一、电路的组成,图35 基本共(发)射(极)放大电路,9,电路中各元件的作用如下:,（1）集电极电源,U,CC,:其作用是为整个电路提供能源,保证三极管的 发射结正向偏置,集电结反向偏置。,（2）基极偏置电阻,R,b,:其作用是为基极提供合适的偏置电流。,（3）集电极电阻,R,c:其作用是将集电极电流的变化转换成电压的变,（4）耦合电容C,1,、C,2,:其作用是隔直流、通交流。,（5）符号“”为接地符号,是电路中的零参考电位。,10,基本知识：,(1)静态和动态,静态,时，放大电路的工作状态，,也称,直流工作状态,。,放大电路建立正确的静态，是保证动态工作的前提。分析放大电路必须要正确地区分静态和动态，正确地区分直流通道和交流通道,。,动态,时，放大电路的工作状态，也称,交流工作状态,。,11,直流通道,交流通道,直流电源和耦合电容对交流相当于短路,即能通过直流的通道。从C、B、E,向外看，有直流负载电阻，,R,c,、,R,b,。,能通过交流的电路通道。如从C、,B、E向外看，有等效的交流负载电阻，,R,c,/,R,L,和偏置电阻,R,b,。,若直流电源内阻为零，交流电流流过直,流电源时，没有压降。设,C,1、,C,2,足够大，对,信号而言，其上的交流压降近似为零。在交,流通道中，可将直流电源和耦合电容短路。,(2)直流通道和交流通道,(a)直流通道 (b)交流通道,图 36 基本放大电路的直流通道和交流通道,12,(3)放大原理,输入信号通过耦合电容加在三极管的发射结于是有下列过程：,三极管放大作用,变化的 通过 转变为,变化的输出,13,二、直流分析,直流分析即静态（,u,i,=0）,分析。,所谓静态,是指输入信号为零时放大电路的工作状态。,静态分析的目的是通过直流通路分析放大电路中三极管的工作状态。,静态分析有,计算法,和,图解分析法,两种。,（1）静态工作状态的计算分析法,（2）静态工作状态的图解分析法,14,（1）静态工作状态的计算分析法,I,B,、,I,C,和,V,CE,这些量代表的工作状态称为,静态工作点,，,用,Q,表示。在测试基本放大电路时，往往测量三个电极对地的电位,V,B,、V,E,和,V,C,即可确定三极管的静态工作状态,。,根据直流通道可对放大电路的静态进行计算,15,（2）静态工作状态的图解分析法,图 37 放大电路静态工作状态的图解分析,放大电路的静态工作状态的图解分析如图37所示。,16,1.由直流负载列出方程,V,CE,=,V,CC,I,C,R,c,2.在输出特性曲线上确定,两个特殊点,即可,画出直流负载线。,直流负载线的确定方法,：,V,CC 、,V,CC,/,R,c,3.在输入回路列方程式,V,BE,=,V,CC,I,B,R,b,4.在输入特性曲线上，作出输入负载线，两,线的交点即是,Q,。,5.得到,Q,点的参数,I,BQ,、,I,CQ,和,V,CEQ,。,17,三、,动态分析（性能指标分析）,所谓动态,是指放大电路输入信号不为零时的工作状态。当放大电路加入交流信号,u,i,时,电路中各电极的电压、电流都是由直流量和交流量叠加而成的。,1、放大电路的,动态图解分析法,（1）交流负载线,交流负载线确定方法：,A.通过输出特性曲线上,的Q点做一条直线，其斜,率为,-,1/R,L,。,图 38 放大电路的动态,工作状态的图解分析,18,B.,R,L,=,R,L,R,c,，是交流负载电阻。,C.交流负载线是有交流输入信号时,Q,点的运 动轨迹。,D.交流负载线与直流负载线相交,Q,点。,图 39 放大电路的动态图解分析,通过图解分析，可得如下结论：,1.,v,i,v,BE,i,B,i,C,v,CE,|-v,o,|,2.,v,o,与,v,i,相位相反；,3.可以测量出放大电路的电压放大倍数；,4.可以确定最大不失真输出幅度。,(2),交流工作状态的图解分析,19,波形的失真,饱和失真,截止失真,由于放大电路的工作点达到了三极管,的饱和区而引起的非线性失真。对于NPN管，,输出电压表现为底部失真。,由于放大电路的工作点达到了三极管,的截止区而引起的非线性失真。对于NPN管，,输出电压表现为顶部失真。,(3)最大不失真输出幅度,注意：对于PNP管，由于是负电源供电，失真的表现形式，与NPN管正好相反。,20,2、放大电路的动态,计算分析法,（1）三极管的,微变等效电路,图310三极管的微变等效电路,21,三极管集(电)-(发)射极间的等效,当三极管工作于放大区时,i,c,的大小只受,i,b,控制,而与,u,CE,无关,即实现了三极管的受控恒流特性,i,c,=,i,b,。所以,当输入回路的,i,b,给定时,三极管输出回路的集电极与发射极之间,可用一个大小为,i,b,的理想受控电流源来等效,如图310(c)所示。,根据三极管输入回路结构分析,r,be,的数值可以用下,列公式计算:,22,（2）放大电路的微变等效电路,把交流通路中的三极管,用微变等效电路代换,则可得到放大电路的微变等效电路,如图311所示。,总结画放大电路微变等效电路的方法和步骤：,(1）画出放大电路的交流通路。,(2）用三极管的微变等效电路代替交流通路中的三极管,画出放大电路的微变等效电路,如图311(a)所示。,23,图311共射放大电路的微变等效电路,(a)不考虑信号源内阻的等效电路；,(b)考虑信号源内阻时的等效电路,24,（3）共射放大电路基本动态参数的估算,1）电压放大倍数,（a）求有载电压放大倍数,A,u,。,式中“-”表示输入信号与输出信号相位反相。,(b）求空载电压放大倍数A,u,。即不接负载,R,L,R,L,25,2）输入电阻,r,i,当,R,b,r,be,时,3）输出电阻,r,o,在图3-11中,根据戴维南定理可得,26,4）源电压放大倍数,图3-11(b)为考虑信号源内阻时所画出的微变等效电路,可以得出,考虑信号源内时的源电压放大倍数,A,us,称,A,us,为源电压放大倍数。,27,3.2.2 共集电极放大电路,图3-12 共集电极放大电路,(a)共集电极放大电路;(b)直流通路,28,图3-12 共集电极放大电路,(c)交流通路;(d)微变等效电路,29,共集电极电路分析:,1)静态分析,由图3-12（b）的直流通路可得出：,即得,30,2)动态分析,（1）电压放大倍数可由图3-12（d）所示的微变等效电路得出。,因为,所以,31,由于式中的（1+）,R,L,r,be,，因而 略小于1，又由于输出、输入同相位，输出跟随输入，且从发射极输出，故又称射极输出器或射极跟随器，简称射随器。（2）输入电阻,r,i,可由微变等效电路得出，由,r,i,=,R,b,/,r,be,+（1+,）,R,L,可见，共集电极电路的输入电阻很高，可达几十千欧到几百千欧。,（3）输出电阻,r,o,可由图3-13的等效电路来求得。将信号源短路，保留其内阻，在输出端去掉,R,L,，加一交流电压 ，产生电流 ，则：,32,图3-13 计算,r,o,等效电路,33,式中,所以,通常,故,34,由上式可见，射极输出器的输出电阻很小，若把它等效成一个电压源，则具有恒压输出特性。,3）射极输出器的特点及应用,虽然射极输出器的电压放大倍数略小于1，但输出电流 是基极电流的（1+）倍。它不但具有电流放大和功率放大的作用，而且具有输入电阻高、输出电阻低的特点。,由于射极输出器输入电阻高，向信号源汲取的电流小，对信号源影响也小，因而一般用它作输入级。又由于它的输出电阻小，负载能力强，当放大器接入的负载变化时，可保持输出电压稳定，适用于多级。,35,同时它还可作为中间隔离级。在多级共射极放大电路耦合中，往往存在着前级输出电阻大，后级输入电阻小而造成的耦合中的信号损失，使得放大倍数下降。利用射极输出器输入电阻大、输出电阻小的特点，可与输入电阻小的共射极电路配合，将其接入两级共射极放大电路之间，在隔离前后级的同时，起到阻抗匹配的作用。,36,3.2.3 共基极放大电路,1.静态分析,在图2.21所示的共基极放大电路中，如果忽略,I,BQ,对,R,b1,、,R,b2,分压电路中电流的分流作用，则,37,图314 共基极放大电路,（a）共基极放大电路;（b）交流通路;（c）微变等效电路,38,图314 共基极放大电路,（a）共基极放大电路;（b）交流通路;（c）微变等效电路,39,图314 共基极放大电路,（a）共基极放大电路;（b）交流通路;（c）微变等效电路,40,2.动态分析,（1）放大倍数。利用图314（c）的微变等效电路，可得,式中,41,共基极放大电路的电压放大倍数在数值上与共射极电路相同，但共基极放大电路的输入与输出是同相位的。,（2）输入电阻。当不考虑,R,e,的并联支路时，,当考虑,R,e,时，,42,（3）输出电阻。在图314（c）的微变等效电路中，电流源 开路，,r,o,R,c,3.共基极放大电路的特点及应用,共基极放大电路的特点是输入电阻很小，电压放大倍数较高。这类电路主要用于高频电压放大电路。,43,附：三极管放大电路三种基本组态的比较,共发射极电路,共集电极电路,共基极电路,电,路,形,式,A,u,r,i,r,o,44,应用,一般放大，多级放大器的中间级,输入级、输出级或阻抗变换、缓冲（隔离）级,高频放大、宽频带放大震荡及恒流电源,3.2.4,场效应管放大电路,由于场效应管具有输入电阻高的特点，它适用于作为多级放大电路的输入级，尤其对高内阻的信号源，采用场放管才能有效地放大。场效应管与晶体三极管比较，源极、漏极、栅极相当于发射极、集电极、基极，即Se，Dc，Gb。场效应管有共源极放大电路和源极输出器两种电路。下面就这两种电路进行静态和动态分析。,45,一、场效应管放大电路的静态分析,场效应管是电压控制器件，它没有偏流，关键是建立适当的栅源偏压,U,GS,。,1.自偏压电路分析,结型场效应管常用的自偏压电路如图315所示。在漏极电源作用下,这种电路不宜用增强型MOS管，因为静态时该电,路不能使管子开启（即,I,D,=0）。,46,图315 自偏压电路图,47,2.分压式自偏压电路,分压式偏置电路如图316所示，其中,R,G1,和,R,G2,为分压电阻，,式中,U,G,为栅极电位，对N沟道耗尽型管，,U,GS,0，所以，,I,D,R,S,U,G,；对N沟道增强型管，,U,GS,0，所以,I,D,R,S,0,三极管,V,1,导通,V,2,截止,V,1,管的射极电流,i,e1,经,CC,自上而下流过负载,在,R,L,上形成正半周输出电压,u,o,0。,（2）当输入信号为负半周时,u,i,0,三极管,V,2,导通,V,1,截止,V,2,管的射极电流,i,e2,经,CC,自下而上流过负载,在,R,L,上形成负半周输出电压,u,o,0。,84,2.功率和效率的估算,1）输出功率,P,o,（3.4.1）,（3.4.2）,若忽略,U,CES,则,85,2）直流电流提供的功率,P,DC,（3.4.3）,（3.4.4）,3）效率,（3.4.5）,86,4）管耗,P,C,可求得当,U,om,=0.63,U,CC,时,三极管消耗的功率,最大,其值为,（3.4.6）,（3.4.7）,每个管子的最大功耗为,87,3.交越失真及其消除,1)电路演示,演示电路如图332（a）所示,在放大器的输入端加入一个1000 Hz正弦信号,用示波器观察输出端的信号波形,发现输出波形在正、负半周的交界处发生了失真,观察到的输出波形如图332(b)所示。,88,图 332交越失真波形,（a）演示电路;（b）输出波形,89,产生这种失真的原因是:在乙类互补对称功率放大电路中,没有施加偏置电压,静态工作点设置在零点,U,BEQ,=0,I,BQ,=0,I,CQ,=0,三极管工作在截止区。由于三极管存在死区电压,当输入信号小于死区电压时,三极管,V,1,、,V,2,仍不导通,输出电压,u,o,为零,这样在输入信号正、负半周的交界处,无输出信号,使输出波形失真,这种失真叫交越失真。,为了解决交越失真,可给三极管加适当的基极偏置电压,使之工作在甲乙类工作状态,如图333 所示。,90,图333 甲乙类互补对称功率放大电路,91,二、复合互补对称功率放大电路,1、复合管,复合管是由两个或两个以上三极管按一定的方式连接而成的。复合管又称为达林,顿管。图334是四种常见的复合管,其中图（a）、（b）是由两只同类型三极管构成的复合管,图（c）、（d）是由不同类型三极管构成的复合管。,组成复合管时要注意两点:串接点的电流必须连续;并接点电流的方向必须保持一致。,3.4.2甲乙类互补对称功率放大电路,92,图 334 复合管,(a)NPN型(一);(b)PNP型(一);(c)NPN型(二);(d)PNP型(二),93,复合管的电流放大系数,近似为组成该复合管各三极管,的乘积,其值很大。由图 334(a)可得,复合管虽有电流放大倍数高的优点,但它的穿透电流较大,且高频特性变差。为了减小穿透电流的影响,常在两只晶体管之间并接一个泄放电阻,R,如图335所示,94,R,的接入可将,V,1,管的穿透电流分流,R,越小,分流作用越大,总的穿透电流越小。当然,R,的接入同样会使复合管的电流放大倍数下降。,图 335 接有泄放电阻的复合管,95,三、单电源互补对称功率放大电路（OTL电路）,双电源互补对称功率放大电路由于静态时输出端电位为零,负载可以直接连接,不需要耦合电容,因而它具有低频响应好、输出功率大、便于集成等优点,但需要双电源供电,使用起来有时会感到不便,如果采用单电源供电,只需在两管发射极与负载之间接入一个大容量电容,C,2,即可。这种电路通常又称无输出变压器的电路,简称OTL电路。,96,图中,R,1,、,R,2,为偏置电阻。适当选择,R,1,、,R,2,阻值,可使两管静态时发射极电压为,U,CC,/2,电容,C,两端电压也稳定在,U,CC,/2,这样两管的集、射极之间如同分别加上了,U,CC,/2和-,U,CC,/2的电源电压。,在输入信号正半周,V,3,导通,V,4,截止,V,3,以射极输出器形式将正向信号传送给负载,同时对电容,C,2,充电;在输入信号负半周时,V,3,截止,V,4,导通,电容,C,2,放电,充当,V,4,管直流工作电源,使,V,4,也以射极输出器形式将负向信号传送给负载。这样,负载,R,L,上得到一个完整的信号波形。,97,电容,C,2,的容量应选得足够大,使电容,C,2,的充放电时间常数远大于信号周期,由于 该电路中的每个三极管的工作电源已变为,U,CC,已不是OCL电路的,U,CC,了,请同学们自行推出该电路的最大输出功率的表达式。,与OCL电路相比,OTL电路少用了一个电源,但由于输出端的耦合电容容量大,则电容器内铝箔卷绕圈数多,呈现的电感效应大,它对不同频率的信号会产生不同的相移,输出信号有附加失真,这是OTL电路的缺点。,98,电路举例,1.OTL互补对称功率放大电路,图 336 为一典型OTL功率放大电路。,该电路工作原理简述如下:,静态时,由,R,4,、,R,5,、,V,1,、,V,2,、,V,3,提供的偏置电压使,V,4,V,7,微导通,且,i,e6,=,i,e7,中点电位为,U,CC,/2,u,o,=0 V。,当输入信号,u,i,为负半周时,经集成运放对输入信号进行放大,使互补对称管基极电位升高,推动,V,4,、,V,6,管导通,V,5,、,V,7,管趋于截止,i,e6,自上而下流经负载,输出电压,u,o,为正半周。,99,图 336 集成运放驱动的OTL功率放大器,100,当输入信号,u,i,为正半周时,由运放对输入信号进行放大,使互补对称管基极电位降低,V,4,、,V,6,管趋于截止,V,5,、,V,7,管依靠,C,2,上的存储电压（,U,CC,/2）进一步导通,i,e7,自下而上流经负载,输出电压,u,o,为负半周。这样,就在负载上得到了一个完整的正弦电压波形。,101,集成运放驱动的OCL功率放大器,102,多级放大电路的放大倍数：,3.4.1 耦合形式,3.4.2 零点漂移,问题提出,前面所述的单管放大电路，在实际运用中各,项性能指标很难满足要求，所以需要采用多级放,大电路，来满足实际要求。,多级放大器级间耦合的条件是把前级的输出,信号尽可能多地传给后级，同时要保证前后级晶体管均处于放大状态，实现不失真的放大。,3.4 多级放大电路,103,3.4.1 耦合形式,多级放大电路的连接，产生了单元电路间的级联问题，即耦合问题。放大电路的级间耦合必须要保证信号的传输，且保证各级的静态工作点正确。,耦合电路采用直接连接或电阻连接，,不采用电抗性元件。,级间采用电容或变压器耦合。,电抗性元件耦合，只能传输交流信号，,漂移信号和低频信号不能通过。,直接耦合电路可传输低频甚至直流信号，因而,缓慢变化的漂移信号也可以通过直接耦合放大电路。,直接耦合,电抗性元件耦合,根据输入信号的,性质,，就可决定级间耦合电路的形式。,104,耦合电路的简化形式如,图337,所示。,直接耦合或电阻耦合使各放大级的工作点互相影响，应认真加以解决；阻容耦合使前后级相对独立，静态工作点Q互不影响，可抑制温漂；变压器耦合可实现阻抗变换（不常用）。,(a)阻容耦合 (b)直接耦合 (c)变压器耦合,图337 耦合电路的形式,105,3.4.2 零点漂移,零点漂移,是三极管的工作点随时间而,逐渐偏离原有静态值的现象。,产生零点漂移的主要原因是温度的影响,，,所以有时也用,温度漂移,或,时间漂移,来表示。,工作点参数的变化往往由相应的指标来衡量。,一般将在一定时间内，或一定温度变化,范围内的输出级工作点的变化值除以放大倍数，,即将输出级的漂移值归算到输入级来表示的。,例如,V/,C 或,V/min,。,106,3.4.3 直接耦合放大电路的构成,直接耦合或电阻耦合使各放大级的工作点互相影响，这是构成直接耦合多级放大电路时必须要加以解决的问题。,电位移动直接耦合放大电路,NPN+PNP,组合电平移动直接耦合放大电路,电流源电平移动放大电路,(1),(2),(3),107,电位移动直接耦合放大电路,(1),于是,V,C1,=,V,B2,V,C2,=,V,B2,+,V,CB2,V,B2,（,V,C1,）,这样，集电极电位就要逐级提高，为此后面的放大级要加入较大的发射极,电阻，从而无法设置,正确的工作点。这种,方式只适用于级数较,少的电路。,如果将基本放大电路去掉耦合电容，前后级直接连接，如,图338,所示。,图338 前后级的直接耦合,108,(2),NPN+PNP组合电平移动直接耦合放大电路,级间采用,NPN管和PNP,管搭配的方式，如,图339,所示。由于NPN管集电极电位高于基极电位，,PNP,管集电极电位,低于基极电位，,它们的组合使用,可避免集电极电,位的逐级升高。,图339 NPN,和PNP管组合,109,电流源电平移动放大电路,(3),电流源在电路中的作用实际上是个有源负载，其上的直流压降小，通过,R,1,上的压降可实现直流电平移动。但电流源交流电阻大，,在,R,1,上的信号损失相,对较小,，从而保证信,号的有效传递。同时,输出端的直流电平并,不高，实现了直流电,平的合理移动。,在模拟集成电路中常采用一种,电流源电平移动电路,，如图340所示。,图340 电流源电平移动电路,110,多级放大电路电压放大倍数的计算,在求分立元件多级放大电路的电压放大倍数时有两种处理方法。,输入电阻法,开路电压法,一是将后一级的输入电阻作为前一级的,负载考虑，即将第二级的输入电阻与第一级,集电极负载电阻并联。,二是将后一级与前一级开路，计算前,一级的开路电压放大倍数和输出电阻，并,将其作为信号源内阻加以考虑，共同作用,到后一级的输入端。,111,现以图341的两级放大电路为例加以说明，有关参数示于,图341,中。三极管的参数为,1,=,2,=,=100，,V,BE1,=,V,BE2,=0.7,V,。计算总电压,放大倍数。,用输入电阻法,计算。,图341 两级放大电路计算例,112,用输入电阻法求电压增益,（1）求静态工作点,113,114,（2）求电压放大倍数,先计算三极管的输入电阻,电压增益,115,如果求从,V,S,算起的电压增益，需计算第一级的输入电阻,R,i1,=r,be1,/R,b1,/R,b2,=3.1/51/20,=3.1/14.4=2.55 k,对于多级放大电路可认为：前级是后级的信号源，后级是前级的负载。,多级放大器可使放大倍数提高，但是靠牺牲,通频带来实现的。通频带将在频率响应中介绍。,116,变压器耦合的特点,采用变压器耦合也可以隔除直流，传递一定频率的交流信号，,因此各放大级的,Q,互相独立。变压器耦合的优点是可以实现输出级与负载的,阻抗匹配,，以获得有效的功率传输。变压器耦合阻抗匹配的原理见,图342(a),。,在理想条件下，变压器原副边的安匝数相等，即,I,1,N,1,=,I,2,N,2,I,2,=（,I,1,N,1,/,N,2,）,=,I,1,(,V,1,/,V,2,),=(,V,2,/,R,L,),(,V,1,/,R,1,),(,V,1,/,V,2,),=(,V,2,/,R,L,),(,N,1,/,N,2,),2,=,R,1,/,R,L,n,2,=,R,1,/,R,L,可以通过调整匝比,n,来使,原、副端阻抗匹配。,342(a)变压器的阻抗匹配,117,当变压器的原端作为谐振回路使用时，为了使较小的三极管输出电阻不影响谐振回,路的,Q,值，在原端采用抽头的方式以实现匹,配。此时将,V,1,接在a,b之间就可以减轻三极管,对,Q,值的影响。如,图342(b),所示。,图342(b)变压器的阻抗匹配,118,